Inhaltsübersicht - Technische Fakultät · Notizen zur Vorlesung Mathematik für...
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Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 1
Inhaltsübersicht
Kapitel 1:
In Medias Res: Rechnen mit Konstrukten der Mathematik
Kapitel 2:
Back to the roots: Der Zahlen- und Mengenbegriff
Kapitel 3:
Aus der Natur und Technik: Funktionen
Kapitel 4:
Die Macht des Imaginären: Komplexe Zahlen
Kapitel 5:
evil forces: Vektorrechnung
Kapitel 6:
Der Vektor ist breit: Matrix- und Tensorrechnung
Kapitel 7:
Die Pflicht: Differentialrechnung
Kapitel 8:
Die Kür: Integralrechnung
....To be continued...
• http://www.wikipedia.de
• http://www.mathe-online.at
• http://rosewood.fernuni-hagen.de/MIB/HTML/MIB.html
• http://www.mathematik.de
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elektronische Literatur:
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 2
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Erklärung
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 3
Kapitel 1:
In Medias Res: Rechnen mit Konstrukten der Mathematik:
-Was ist Mathematik?
-Analysis
(Definition der Funktion, Steigung, Differential und Integralrechnung,...)
-Differentialgleichungen
-Komplexe Zahlen
-Mehrdimensionale Analysis
-Vektorfelder (Gradientenfelder)
-Funktionsräume
Kapitel 1
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 4
Was ist Mathematik?
http://www.mathematik.de/ger/information/wasistmathematik/wasistmathematik.html
... Für Mathematik gibt es keine allgemein anerkannte Definition; heute wird sie
üblicherweise als eine Wissenschaft, die selbst geschaffene abstrakte Strukturen auf ihre
Eigenschaften und Muster untersucht, beschrieben....
...Während beispielsweise alle naturwissenschaftlichen Erkenntnisse durch neue Experimente
falsifiziert werden können und daher prinzipiell vorläufig sind, werden mathematische
Aussagen durch reine Gedankenoperationen auseinander hervorgebracht oder aufeinander
zurückgeführt und brauchen nicht empirisch überprüfbar zu sein. Dafür muss aber für
mathematische Erkenntnisse ein streng logischer Beweis gefunden werden, bevor sie als
mathematischer Satz anerkannt werden. ...
Freundlicherweise ist die (unbelebte) Welt so geschaffen, dass sie sich bisher immer in der
Sprache der Mathematik beschreiben lies! (Was einen Mathematiker nicht unbedingt, einen
als Ingenieur aber brennend interessiert, da Mathematik ein mächtiger Verbündeter sein
kann…)
http://de.wikipedia.org/wiki/Mathematik
Beispiel: Zahlen, natürliche Zahlen
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 5
Funktionen: f(x)=... z.B. f(x)=x2 ; f(x)=3 ; f(x)= -x ;
2
x
sin(x)f(x)
Allgemeiner (vorläufig): Einem x-Wert wird genau ein y-Wert zugeordnet
Allgemeiner (vorläufig): Einem Wert wird ein anderer zugeordnet...
Oder z.B. y=y(x)=f(x)=x2
Beispiel :
Funktionen
Beispiel:
injektiv,
bijektiv,
surjektiv
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 6
Verschiedene Funktionen am Beispiel aus der Natur
Polynome, Maxima, Minima
Y= x0
Y
x
Y= x1x+x0
Y= x2x2+x1x+x0
Y= x3x3+x2x
2+x1x+x0
Y= x4x4+ x3x
3+ x2x2+x1x+x0
Y= …x4x4+ x3x
3 + x2x2+x1x+x0
N
i
i
ixxY
0
Polynome
Nullstellen
Beispiele; Zusatz
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 7
Rationale Funktionen
j
j
j
i
i
i
xb
xaY
Y
x
Singularität!
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 8
Exponentialfunktionen
Siehe z. B. www.mathe-online.at
x
Y=1000 2x
Y
Zu Beginn (zur Zeit 0) gibt es 1000 = 1000 × 2 0 Bakterien.
Nach 1 Stunde gibt es doppelt so viele Bakterien, also 1000 × 2 = 1000 × 21 Stück.
Nach 2 Stunden ist ihre Anzahl wieder um einen Faktor 2 gewachsen, d.h. es gibt nun 1000 × 2 × 2 = 1000 × 22 Stück.
Nach 3 Stunden gibt es 1000 × 4 × 2 = 1000 × 23 Stück.
1 In gleich langen Zeitintervallen vergrößert sich die Zahl der Bakterien um den gleichen Faktor.
2 Zu Beginn besteht die Kultur aus 1000 Bakterien.
3 Während jeder Stunde verdoppelt sich die Zahl der Bakterien.
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 9
Y= abx
Exponentialfunktionen
Y= cabx ?
ab+c = abac
b < 0?
abc = (ab)c
Exponentielles absinken: negativer Exponent
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 10
Sinus und Cosinus
Der Winkel in einem Kreis kann mit dem Bogenmaß gemessen werden:
s
S
r
R
Bogenmaß = Radius
Bogen
=> Beziehung zum Gradmaß
1 sinus
cosinus
Bewegung im Kreis!
=>Symetrien,
Rechenregeln
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 11
Steigung, das Phänomen der Schräge
Ein Wagen fährt mit konstanter Geschwindigkeit v(t) =const.,
d. h. pro Zeiteinheit gleiche Strecke!
t
x,s
t
x
v
?v
t
x,s
?
t
v
t
v
?
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 12
x,s
t
Die Ableitung
t t+h x(t)
x(t+h)
h
x(t)h)x(t
tht
x(t)h)x(tv
h
h2th
h2th
h
th)(tv
222
h
x 2t v0h lim
v = x
x= a
a = x dt
dxv
2
2xv
adt
d
dt
d
Allgemein: dx
dff t t
2)(x tt
x(t)=t2
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 13
Ableitungen & Regeln
cf(x) 0(x)f
ncxf(x)
1(x)f
nncx
gfg )(f
Also:
N
i
i
ixxxf
0)(
N
i
i
ixixxf
1
1)(
Übrigends:
fc )(cf
0
12
)!12(
)1()sin(
i
ii
i
xx
0
2
)!2(
)1()cos(
i
ii
i
xx
)cos()(nsi xx
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 14
Ableitungen & Regeln II
gfgfg )(f
2g
f
g
gfgf
Produktregel:
Quotientenregel:
Kettenregel: )())(()))((f( xgxgfxg
Beweis? Skizze:
h
xgxfhxgxfhxgxfhxghxf
h
xgxfhxghxf
h
h
)()()()()()()()(lim
)()()()(lim)(f(x)g(x)
0
0
Exponentialfunktion:
)0(f)1(
lim)1(
lim
limlim)(f
)(f
00
00
xx
x
xxxx
x
aa
aaa
aaaaax
ax
Übrigends:
f(x)= ex= f’(x)
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 15
Kurvendiskussion
109f(x)23 xx
xx 183(x)f2
186(x)f x
6(x)f
Nullstellen: 1
Nullstellen: 0,-6 => Extremstelle
Nullstellen: -3 => Wendepunkt
Sattelpunkt? Vorzeichen? Symmetrie?...
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 16
Die Kunst: Integrieren
Problem der Griechen (Ägypter...): Die Quadratur des Kreises:
Die Lösung: Salamitaktik y
x
y
x a b
N
j j
N
j jjxfxxfx
00)()(A
b
a
dxxf )(ALimes:
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 17
x
a
xdxf~
)~
(A(x)
y
a x εx
“Motivation” Hauptsatz
)(A(x))A(x xf
)(A(x))A(x
xf
(x)Af(x)A(x))A(x
lim0
Die Ableitung der “Flächeninhaltsfunktion” einer
Funktion ist die Funktion selber
)A(x
x~
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 18
Der Hauptsatz (vorläufig)
Def. Stammfunktion (vorläufig): F heißt Stammfunktion zu f, wenn F’ = f
Der Hauptsatz:
Ist f eine über [a,b] integrierbare Funktion und ist F eine Stammfunktion von f, dann gilt:
)()()( aFbFdxxf
b
a
z.B.: 3332
3
1
3
1
3
1| abxdxxb
a
b
a
y
x
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 19
Integrationsregeln
Partielle Integration:
b
a
b
a
dxxfcdxxcf )()(
c
b
b
a
c
a
dxxfdxxfdxxf )()()(
dxxgxFxgxFdxxgxf )()()()()()(
?dxxex
x
x
eF(x) 1(x)g
ef(x) xg(x)
xx
b
a
xx
b
a
xee|dxee|dxxe xx
b
a
b
a
dxxgdxxfdxxgxf )()()()(
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 20
Integration durch Substitution
Integrationsregeln
b
a
bu
au
dxxuxufdttf )())(()(
)(
)(
)cos(2cos2sin22
sin4)sin(422
xuduuu
duuudxxx
udu
dxuxxu
2
1;
2
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 21
Differentialgleichungen
Bisherige Probleme: z.B. Nullstellen, Vorgabe Funktion, Ableitung bilden, ect.: x
ef(x)
(x)ff(x) Was ist das?: Lösung?!, z.B.: xef(x)
Lösungen von Differentialgleichungen sind Funktionen!
Beispiel aus der Physik: xmmaF ),,,,( xxxtcFF
...eigendlich ist F ein Vektor
v~F z. B. Reibung: F xcF also DGL: xmxc
! Achtung, was ist hier x? x = x(t)
tm
c
evtx
0
)(t
m
c
evc
mtx
0
)(
Randbedingungen: v(t=0)
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 22
xdF xmdx- 0xm
dx x(t)?
Schwingungsgleichung:
Lineare Differentialgleichungen n-ter Ordnung
b(x)(x)ya...(x)yay0
1)(n
1n
(n)
b(x)=0 =>homogene DGL
iia(x)a =>konstante Koeffizienten;
Lineare homogene Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten
Üble Differentialgleichungen, z.B.: 1)()(x2
yxxyxy
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 23
Komplexe Zahlen
i 1“Daraus folgt”: Def.:
xix
12
i
abibabbiaabiabia 2)(22222
idbcadicbia )()()()(
ibcadbdacdicbia )()())((
idc
adbc
dc
bdac
dicdic
dicbia
dic
bia
)(
)(
)(
)(
))((
))((
)(
)(2222
Achtung, gilt nicht umgekehrt!
bia Komplexe Zahlen sind zusammengesetzt:
reeller Anteil
(Realteil) komplexer Anteil (Imaginärteil)
Daher Darstellung in der Ebene! C | komplexe Zahlenmenge
Rechenregeln:
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 24
Mathematisch Sinnvoll: Axiomatische Definition
http://de.wikipedia.org/
Suche: komplexe Zahlen
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 25
Geometrische Anschauung
Polar und Exponentialform:
Jede komplexe Zahl z=a+bi kann in
der Form )sin(cos irz
geschrieben werden!
!
)(
n
ie
n
i
Also: )sin(cos
irrei
Polarform, Trigonometrische Form!
Wozu? 0 xd
mx
ibtAetxLösung )(:
Gaußsche Ebene
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 26
http://de.wikipedia.org/
Suche: komplexe Zahlen
Beispiel
Beispiel: Elektrotechnik: Blindwiderstand X
Wirkwiderstand R
Scheinwiderstand Z Messung:
Wechselstrom U / I
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 27
Mehrdimensionale Analysis
yxyxzz )sin(),(2
4-Dimensional?
z.B. Temperaturverteilung
T=T(x,y,z)
Allgemein: Verschiedene Dimensionalität
mn
z.B. Kraft F: 3D->3D;
F=F=F=
),,(
),,(
),,(
zyxF
zyxF
zyxF
F
z
y
x
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 28
Mehrdimensionale Ableitung
Mehrdimensionale Ableitung: E=Fs
s
FdsE F=Vektorfeld!?
F=Vektorfeld!? Beispiel 2D->2D: Energie als Potentialfeld(2D->1D), Gebirge
z.B. “Potentialtopf” 22),( yxyxE
22),( yxyxE
Welche Kraft wirkt, wie leited sich die Kraft aus der Energie her?
(Wohin rollt ein Ball?)
Richtung des größten Abstieges!
Richtungsableitung:
dy
dEdx
dE
F
->allgemein
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 29
dz
dE
dy
dEdx
dE
F
Mehrdimensionale Ableitung / Wegintegral
y
x
dy
dEdx
dE
F2
222
),( yxyxE allgemein:
Anders herum ? Wegintegral!
NF
2
2 NF 4
b
a
sdsFE
)(
E= Fs= 2N 10m= 20 J s = 10m
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 30
b
a
b
a
dd
sdsFsdsFE
)())(()())((
Wegintegral / Vektorfelder
Beispiel:
y
x
dy
dEdx
dE
F2
222
),( yxyxE Weg: Y(x)=x+1
22|241
1
22
2
122
22
2
1
dddE
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 31
Volumenintegral
Die Dose:
hRV2
R
h
Salamitaktik
Würfel:
321
3 dddaV
R R
ddddA
0 0
1221
1
2
1
2
2
44
Notizen zur Vorlesung Mathematik für Materialwissenschaftler I 32
Funktionsräume
Y= x2x2+x1x+x0 Als Vektor?!
x0
xx1
x2x2
1
2
3
""
""
""
2x
x
c
Y= x2+2x+3
...
""
""
""
2x
x
c
unendlich Dimensional: